螺旋光纤光栅、制备装置及全光纤轨道角动量光束产生器的制作方法

1.本实用新型涉及光纤光栅技术领域，特别是涉及一种螺旋型光纤光栅、制备装置及全光纤轨道角动量光束产生器。


背景技术：

2.螺旋型光纤光栅一经提出便受到广泛的关注，现有的制备方法是先通过热效应使光纤局部熔融后再使光纤几何结构发生物理上的扭转形成螺旋型结构。加热方式可以是高温炉，氢氧焰或是激光加热。
3.例如一种氢氧焰制备螺旋型光纤光栅的方法：其利用氢氧焰的热效应使光纤局部熔融后使光纤几何结构发生螺旋形状的形变，然后对光纤周期性加热进而形成周期性的折射率改变。该方法的优点是适用于任何光纤，无需对光纤进行其他处理，可根据制备需求灵活改变光栅周期，制备过程中，氢氧焰温度较为稳定、加热效率高，不需要掩模板，也无需光敏，普通通信光纤即可成栅，这大大提高了成栅效率与光栅质量。但此方法效率低，光栅制备重复率低，光栅谐振波长和谐振峰深度不可控，同时制造出来的光栅插入损耗大且谐振峰的深度不够深。另外，由于该方法主要是通过物理上几何结构扭转，因此，该方法仅能用于长周期光纤光栅，不适用于制作短周期光纤光栅。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术存在的问题，本技术提出了一种螺旋型光纤光栅、制备装置及全光纤轨道角动量光束产生器。
5.本技术提供的一种螺旋型光纤光栅，包括光纤，以及形成在光纤包层的螺旋线折射率变化的调制型光纤光栅。
6.作为本技术提供的螺旋型光纤光栅的一种改进，光纤光栅是利用co2激光束的热效应形成在包层的连续螺旋状纹路。
7.作为本技术提供的螺旋型光纤光栅的一种改进，所述光纤为少模光纤，所述光纤光栅为长周期光纤光栅。
8.本技术提供的一种螺旋型光纤光栅的制备装置，包括co2激光加工光路系统、夹持移动装置、控制装置；
9.所述co2激光加工光路系统用于使co2激光束聚焦在光纤包层；
10.所述夹持移动装置用于使光纤绕自身轴线旋转的同时还沿水平方向平移。
11.作为本技术提供的螺旋型光纤光栅的制备装置的一种改进，所述co2激光加工光路系统包括co2激光器、反射镜、衰减器、扩束镜、用于控制光路通断的激光开关、以及聚焦透镜。
12.作为本技术提供的螺旋型光纤光栅的制备装置的一种改进，所述夹持移动装置包括移动平台、运动控制器和旋转夹具；所述旋转夹具包括分别设置在光纤两端的两个旋转夹具，所述两个旋转夹具的转速相同、旋转方向相同。
13.作为本技术提供的螺旋型光纤光栅的制备装置的一种改进，所述制备装置还包括光源和光谱仪。
14.本技术还提供了一种全光纤轨道角动量光束产生器，包括少模光纤，以及形成在少模光纤包层上的螺旋型长周期光纤光栅，所述产生器为全光纤结构。
15.作为本技术提供的全光纤轨道角动量光束产生器的一种改进，光纤光栅是利用co2激光束的热效应形成在包层的连续螺旋状纹路。
16.作为本技术提供的全光纤轨道角动量光束产生器的一种改进，少模光纤为支持高阶模式单独稳定传播的渐变或跃变折射率光纤。
17.本技术具有以下有益效果：
18.本技术的螺旋型光纤光栅，系采用低能量co2激光束对光纤包层的进行螺旋折射率调制的弱耦合方法，在光纤包层上进行螺旋折射率的调制并在包层形成螺旋线折射率变化调制型光纤光栅。与通过大能量强调制在光纤上激发高阶矢量模式相比，该制备方法对光栅有着良好的保护效果，得到的光栅损伤很小，而且制造出来的光栅插入损耗较低，且谐振峰深度深，模式转换效率可达到 99％，同一参数可实现同一特性光栅多次重复制备。
19.另外，现有的对少模光纤逐点曝光写制出来的长周期光纤光栅只能产生线偏振模模式，无法直接产生轨道角动量光束。本技术中，通过对少模光纤的包层进行螺旋折射率的调制，入射到光栅中的光除受到光栅作用产生高阶模式外，还将受到螺旋折射率分布的影响而产生一个附加的螺旋相位，使得高阶模式的光具有螺旋相位，在多个光栅调制周期的作用下，高阶模式和螺旋相位被谐振增强，从而形成螺旋相位的高阶模式，所以在不使用偏振控制器、压力板和光纤扭转器的条件下，可以直接产生高阶轨道角动量光束。最关键的是，产生的高阶轨道角动量光束可以直接在少模光纤传输。
附图说明
20.图1为本实用新型实施例的一种螺旋型光纤光栅的制备装置的示意图；
21.图2为本实用新型实施例的一种全光纤轨道角动量光束产生器的示意图。
22.附图标记：
23.co2激光器1，反射镜2，用来控制激光能量的衰减器3，扩束镜4，用于控制光路通断的激光开关5，聚焦透镜6，旋转夹具7，移动平台8，光谱仪9，运动控制器10，光源11，控制装置12、纤芯10、包层20、螺旋型光纤光栅 30。
具体实施方式：
24.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
25.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位
或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
26.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
27.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
28.下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
29.本技术具体实施例提供的一种螺旋型光纤光栅30的制备方法，包括如下步骤：
30.步骤s1：准备光纤，将光纤剥除涂覆层；
31.步骤s2：将光纤固定在移动平台的夹具上；
32.步骤s3：将co2激光束聚焦在光纤的包层20；使光纤绕自身轴线旋转的同时还沿水平方向平移，co2激光束在光纤包层20进行螺旋折射率的调制并在包层20形成螺旋线折射率变化调制型长周期光纤光栅。
33.在上述步骤s3中，通过光路的调试，使低能量的co2激光束聚焦在光纤包层 20。然后保证光纤旋转的同时还进行水平方向的平移,因此，本技术通过沿激光照射的螺旋路径进行激光加热来消除残余应力，在光纤包层20形成螺旋折射率调制，从而实现co2激光在光纤包层20高精度的螺旋路径写制。
34.在上述步骤s3中，可根据相位匹配公式设置光纤的绕自身轴线旋转以及沿水平方向平移的相关运动的控制参数；相位匹配公式包括公式(1)、公式 (2)和公式(3)：
35.n
n
＝n
f
‑
m
·
λ/t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(1)
36.j
n
＝j
f
m
·
σ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(2)
37.t＝2π
·
ν/ω
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(3)
38.其中，n
f
和n
n
分别表示基模和被耦合模的有效折射率，λ是螺旋光纤光栅对应的谐振波长，t应的光栅周期，而j
f
和j
n
是两个对应模式的总角动量，它们是相应模式的轨道角动量和自旋角动量的总和，m为谐波数量级，σ表示螺旋光纤光栅的旋向，σ＝
‑
1和σ＝1分别表示为左旋和右旋。v是移动平台的水平运动速率，ω是光纤的旋转角速度。
39.运动的物体具有动量，不同运动类型的物体具有不同的动量。对于光束而言每个光子有着的线性动量，并且具有两种角动量，即自旋角动量和轨道角动量。如果光束的电场沿着光轴旋转即圆偏振光，则该光束具有自旋角动量，并且每个光子的自旋轨道角动量为其中
“±”
代表左旋和右旋；如果光束的波矢沿着光轴转动形成螺旋相位面，则该光束具有轨道角动量。螺旋相位面的表达式为exp(ilφ)，其中φ为角向坐标，l为轨道角动量的拓扑荷数。l的值为整数，可为正、负数和零，分别对应于顺、逆时针螺旋和无螺旋相位。其光束螺旋相位波面的旋向和螺旋相位面的个数取决于l的正负和大小。1992年，allen等
人证明在傍轴传播条件下，所有具有螺旋相位因子 exp(ilφ)的涡旋光束均带的轨道角动量，并可以通过线性叠加表示所有的螺旋相位光束。该结论的提出引发了学者对轨道角动量研究的热潮，从轨道角动量的各种产生技术、检测方法到应用，各种关于轨道角动量的新现象应运而生。
40.螺旋型光纤光栅的相位匹配可通过上述公式(1)、公式(2)和公式(3) 来满足。
41.在光纤包层20进行螺旋折射率的调制之前，使用数值运算方法模拟光纤对应的产生高阶模式的周期参数，以获得公式(1)、公式(2)、公式(3)中的部分控制参数。
42.上述的夹具包括两个旋转夹具，分别设置在光纤的两端。两个旋转夹具受两个旋转电机的驱动，两个旋转电机的转速相同、旋转方向相同。两个旋转夹具设置在移动平台上。本实用新型采用了两个旋转夹具的，如果采用一个旋转夹具，则会因为旋转夹具无法精确共轴使得在旋转过程中由于离心力的作用光纤发生离轴现象。与使用单个旋转夹具相比，本实用新型通过采用两个旋转电机同向旋转光纤的共轴转动技术，可实现光纤转动的良好的共轴性，保证光纤旋转的共轴精度要求；并使光纤在旋转过程中保持稳定，提高了光栅的写制质量和写制效率。ω是旋转电机的旋转角速度。
43.在制备的过程中，旋转电机带动旋转夹具、以及光纤旋转。同时，旋转夹具、旋转电机、光纤设置在移动平台上，在移动平台上的带动下，可同时沿水平方向平移。
44.在制备过程中，要保证光纤旋转的同时还进行水平平移,实现co2激光在光纤包层20高精度的螺旋路径写制。该激光螺旋折射率调制技术要求激光脉冲和光纤移动之间具有精确的同步性，若两者不能时刻保持同步，则会导致栅格周期和折射率调制深度的不均匀，从而导致写制效率降低，光谱质量下降。
45.上述的旋转方向运动以及沿水平方向平移的相关运动的控制参数，可通过自主编写控制程序写入以进行准确控制。使用计算机等控制装置可控制旋转电机、移动平台和激光同时开启，即可进行光栅写制。
46.通过控制移动平台的速度、距离和旋转夹具旋转速度、圈数，可实现谐振波长和谐振峰值的可调性。例如，使用自主编写的程序，实现对移动平台、旋转夹具同步性、一致性控制，即可保证移动平台和旋转夹具的同时运转，同时停止。
47.控制参数例如包括旋转电机的旋转方向、旋转角度、旋转速度，移动平台的移动速度和方向。通过控制上述控制参数，可控制激光的扫描路径和方向，从而获得所需要的螺旋型光纤光栅30。
48.通过控制光纤的水平移动速率和旋转速度，实现不同周期光栅的写入，实现螺旋型光纤光栅写制波长的调谐。
49.更进一步的，在步骤s3的光栅写制过程中，光纤的一端与光源连接，另一端与光谱仪连接。通过光谱仪观察光纤光栅的光谱图样，在得到所需要的光谱图后，关闭聚焦在光纤上的co2激光束并使光纤停止水平移动和旋转运动。通过在制备过程观察光栅的光谱，可实现谐振波长和谐振峰值的可调性，不需要在制备一定长度的光栅后，通过不断裁减光栅长度，寻找光谱满足需求的光栅。
50.利用本技术制备方法的该螺旋型光纤光栅30可是一种周期大于30μm长周期光纤光栅。
51.该制备方法适用于所有的光纤类型。例如光纤的种类包括但并不限于单模光纤、
少模光纤。
52.本技术的一种螺旋型光纤光栅30的制备装置如图1所示。包括：co2激光加工光路系统、夹持移动装置、控制装置12。控制装置12同时与co2激光加工光路系统和夹持移动装置连接。
53.co2激光加工光路系统包括co2激光器1，反射镜2，用来控制激光能量的衰减器3，扩束镜4，用于控制光路通断的激光开关5，聚焦透镜6。夹持移动装置包括移动平台8、运动控制器10和旋转夹具7。
54.制备装置还包括光谱仪9、光源11。光源11和光谱仪9分别连接在光纤的两端。
55.移动平台8例如为三维精密移动平台。激光开关5可选用电子快门(电子开关)，电子快门由控制装置12进行控制。控制装置12可以为智能终端，例如电脑。
56.本技术使用co2激光作为光源，co2激光可通过co2激光器提供。co2激光器稳定性高达
±
2％，且其聚焦光斑质量好，对光纤进行周期性加热时可保证其光斑大小和能量密度均匀一致，这样可以保证在不同周期处重复曝光的稳定性和重复性，且加热区域和扫描过程焦斑可很好的重叠。可以理解的，通过选用适合的激光功率，保证既能正常写制光栅又不损坏光纤。
57.co2激光经co2激光器1发出后依次经过反射镜2、衰减器3后得到能量和方式合适的激光，再经过扩束镜4进行扩束，到达聚焦透镜6进行聚焦，最后， co2激光束聚焦在光纤的包层20。旋转夹具7使光纤进行旋转，旋转夹具7和光纤设置在移动平台，移动平台平移，使光纤在旋转的同时还进行水平方向的平移。
58.上述的旋转夹具7包括两个旋转夹具，分别设置在光纤的两端。两个旋转夹具受两个旋转电机的驱动，两个旋转夹具的转速相同、旋转方向相同。
59.其中激光开关5，旋转夹具7，移动平台8都与运动控制器10相连，再由控制装置12上的软件进行控制，光谱仪9和光源11结合可实时观察光栅光谱情况。自主编写的程序还可以控制co2激光的电子快门。
60.通过自主编写的程序控制移动平台、旋转电机和电子快门，使得三维移动平台的水平移动、旋转夹具的旋转和电子快门的开关相结合，使光纤在co2激光下实现均匀的螺旋折射率调制。通过控制光纤的水平移动速率和旋转夹具旋转速度，实现不同周期光栅的写入，实现螺旋型光纤光栅写制波长的调谐。
61.当移动平台的移动距离和旋转圈数满足光纤光栅写入长度，谐振波长和谐振深度满足需求后，控制电子快门使co2激光处于遮挡状态，即可以得到任何满足需要的光谱。
62.本技术的螺旋型光纤光栅30不需要使用高温或者大能量使光纤处于熔融状态再旋转使光纤几何结构发生物理上的扭转来形成。本实用新型采用低能量co2激光束对光纤包层20的进行螺旋折射率调制的弱耦合方法，在光纤包层20进行螺旋折射率的调制并在包层20形成螺旋线折射率变化调制型光纤光栅。与通过大能量强调制模式相比，该制备方法对光栅有着良好的保护效果，得到的光栅损伤很小，而且制造出来的光栅插入损耗较低，且谐振峰深度深，模式转换效率可达到99％，温度稳定性高，同一参数可实现同一特性光栅多次重复制备，也能够灵活实现光纤光栅光谱参数的调谐。
63.本技术中，螺旋型光纤光栅的螺旋结构在包层20呈沿轴向螺旋延伸的连续螺旋状纹路，系通过co2激光的热效应形成在包层。通过co2激光在包层的表面从表面往里面辐射，
使螺旋型光纤光栅在光纤包层形成连续螺旋状折射率调制。通过弱耦合方法采用较低能量的co2激光对少模光纤的包层20进行螺旋折射率调制，可以得到一种直接产生高阶轨道角动量光束的全光纤高阶轨道角动量光束产生器。
64.本技术系在包层写制螺旋型光纤光栅，与在纤芯写制螺旋型光纤光栅相比较，在包层上写制对光纤整体损伤极小，几乎不影响光纤结构，产生的插入损耗也非常低，可直接用于大容量通讯系统。
65.现有的产生轨道角动量光束的方法，还有螺旋相位板法、slm转换法、透镜转换法、q盘转换法、集成器件转换法，这几种方法是基于自有空间和集成器件的轨道角动量光束方法。但实际通信系统以光纤为主要传输媒介，上述方法产生的轨道角动量光束需要耦合进光纤中才能真正用于实际通信系统中，这带来了额外的工作量和技术难度。例如，基于自由空间或硅基芯片等集成器件的涡旋光波分复用技术被用于光纤传输时必须要在信号发射端将复用光耦合进光纤，在接收端将复用光从光纤耦合出来。而在耦合时往往会引入损耗和串扰，因而对应用于光纤中的涡旋光波分复用带来很大的影响。
66.实施例二
67.本技术还提供了一种螺旋型光纤光栅30。其是形成在光纤包层20的螺旋线折射率变化的调制型光纤光栅。
68.本技术还提供了一种螺旋型光纤光栅30，系通过上述制备方法制备得到。
69.优选的，通过实施例一的制备方法，可在少模光纤包层20形成螺旋线折射率变化的调制型长周期光纤光栅，该光栅是以少模光纤为基底的螺旋型长周期光纤光栅。
70.本技术使用支持高阶模式单独稳定传播的渐变或跃变折射率少模光纤。通过在少模光纤包层20进行螺旋折射率的调制的方法，在满足相位匹配条件下，基模被少模螺旋光纤光栅中耦合到特定的高阶模式，被激发成高阶模式并携带螺旋相位，使基模直接转换成高阶的轨道角动量光束，通过少模螺旋光纤光栅后的基模会转化为高阶轨道角动量光束。
71.实施例三
72.本技术还提供了一种全光纤轨道角动量光束产生器，图2是本实用新型实施例的一种轨道角动量光束产生器的结构示意图。
73.在申请具体实施例中，轨道角动量光束产生器是使用少模光纤制成，少模光纤包括纤芯10和包层20。在少模光纤包层20形成有螺旋型光纤光栅30。这里的螺旋型光纤光栅具体为螺旋型长周期光纤光栅，其是以少模光纤为基底的螺旋型长周期光纤光栅。
74.螺旋型长周期光纤光栅系通过上述实施例一的制备方法制备而成。
75.少模光纤为支持高阶模式单独稳定传播的渐变或跃变折射率光纤。
76.本技术的轨道角动量光束产生器为一种高阶轨道角动量光束产生器，通过在少模光纤包层20进行螺旋折射率的调制获得螺旋型长周期光纤光栅，在满足相位匹配条件下，基模被少模螺旋光纤光栅中耦合到特定的高阶模式，入射到光纤光栅中的光一方面受到光栅作用产生高阶模式，另一方面还受到螺旋折射率分布的影响而产生一个附加的螺旋相位，使基模直接转换成高阶的轨道角动量光束。少模光纤上螺旋型光纤光栅30由多个连续分布且旋向相同的螺旋结构连续在一起，光栅主体的螺旋结构其方向与产生的高阶轨道角动量光束方向相同。多个螺旋结构可以在一定带宽内激发螺旋相位。
77.本技术提供的高阶轨道角动量光束产生器为全光纤结构，具有螺旋结构，可直接
将基模转化成具有高阶轨道角动量的光束。
78.本技术所提供的一种全光纤轨道角动量光束产生器，能同时支持一阶，二阶，三阶，四阶的轨道角动量光束传输。全光纤轨道角动量光束产生器可直接应用于光纤传输系统中，不用经过任何空间调试，可实现全光纤轨道角动量光束的通信传输。
79.本技术，通过对少模光纤的包层进行螺旋折射率的调制，入射到光栅中的光除受到光栅作用产生高阶模式外，还将受到螺旋折射率分布的影响而产生一个附加的螺旋相位，使得光具有螺旋相位，在多个光栅调制周期的作用下，高阶模式和螺旋相位被谐振增强，从而形成螺旋相位的高阶模式，所以在不使用偏振控制器、压力板或光纤扭转器的条件下，可以直接获得稳定的高阶轨道角动量光束。最关键的是，该高阶轨道角动量光束可以直接在光纤中稳定传输。
80.本实用新型利用co2激光制备螺旋线折射率变化调制型长周期光纤光栅技术来制备基于少模光纤的螺旋长周期光纤光栅作为高阶轨道角动量光束模式产生器，其结构简单，原理清晰，造价较低，容易实现；周期可以精确控制，稳定性高。
81.该光纤轨道角动量光束产生器可定向产生特定轨道角动量光束，效率高，纯度高，并能支持其稳定传输，采用全光纤结构，结构紧凑，易与光纤通信网络兼容。
82.本技术所提供的一种高阶轨道角动量光束产生器，产生的高阶轨道角动量光束具备独特的物理特性，在光镊、生物医学成像微粒操控、显微成像、量子信息处理和大容量光通信等众多领域有着广泛的前景和重要的应用价值。
83.显然，以上所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本技术的较佳实施例，但并不限制本技术的专利范围。本技术可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本技术的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本技术说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本技术专利保护范围之内。